基于干涉光谱鉴频器的多纵模高光谱分辨率激光雷达 |
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申请号 | CN201610631258.0 | 申请日 | 2016-08-04 | 公开(公告)号 | CN106019312A | 公开(公告)日 | 2016-10-12 |
申请人 | 浙江大学; | 发明人 | 刘东; 杨甬英; 成中涛; 刘崇; 白剑; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了一种基于干涉 光谱 鉴频器 的多纵模高光谱 分辨率 激光雷达 。本发明不同于传统HSRL系统必须采用单纵模 激光器 的工作条件,本发明提出的HSRL能在采用多纵模激光器作为发射 光源 的情况下工作。它巧妙利用干涉光谱鉴频器光谱鉴频曲线具有周期性的特点,只要将其鉴频曲线周期设计得和激光器纵模间隔相匹配,则干涉光谱鉴频器会对所有纵模的 频率 中心产生同样的抑制效果,从而达到和单纵模工作时一样的光谱分离目的。所提出的多纵模HSRL系统将能显著降低HSRL对单纵模激光器的依赖,既可以减少激光器的成本、体积和重量,又大大提升了整个系统的 稳定性 ,对我国机载和星载HSRL 载荷 的研制具有非常重要的意义。 | ||||||
权利要求 | 1.基于干涉光谱鉴频器的多纵模高光谱分辨率激光雷达,其特征在于包括多纵模激光器、第一折转反射镜、激光扩束镜、望远镜、小孔光阑、准直透镜、第二折转反射镜、前置处理光路、分光棱镜、第一汇聚透镜、第一光电探测器、干涉光谱鉴频器、第二汇聚透镜和第二光电探测器; |
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说明书全文 | 基于干涉光谱鉴频器的多纵模高光谱分辨率激光雷达技术领域背景技术[0002] 高光谱分辨率激光雷达(HSRL)是大气气溶胶精确遥感的重要工具。通常的HSRL向被遥感大气发射极窄带光谱的高能量激光脉冲,并采用具有高光谱分辨能力的光谱鉴频器分离大气回波信号中的气溶胶米散射成分和大气分子瑞利散射成分,从而不需要对大气激光雷达比做假设即可反演出大气气溶胶后向散射系数、消光系数等重要光学参数。目前的HSRL系统均需采用单纵模激光以保证大气回波具有较窄的频谱以实现精细的光谱分离。具体来说,在532nm波段采用碘吸收池作为高光谱鉴频器。由于碘吸收谱线在532nm附近最宽处为~GHz,故不允许大气回波谱线具有多个气溶胶散射峰。而在355nm波段采用FP标准具作为光谱鉴频器时,完全沿用了碘吸收池的使用方式。 [0003] 除了以上介绍的两种常见光谱鉴频器外,美国NASA提出的视场展宽迈克尔逊干涉仪(FWMI)鉴频器相比于FP标准具鉴频器具有更大的视场角,较小的口径及较低的加工要求。同时,FWMI还能用于任意HSRL波段,有望解决近红外HSRL光谱鉴频的困难。目前,FWMI已用于构建532nm波段的HSRL实验系统,但其使用的方式仍然和传统的碘分子吸收鉴频器以及FP标准具相同,即需要使用窄带单纵模激光作为发射光源。 [0004] 然而,要做到理想的单纵模激光输出,目前大都采用代价高昂的种子注入锁定技术。这样的激光系统不仅体积庞大,而且需要对谐振腔的腔长及脉冲建立时间等参数进行精确控制,环境适应性较差,这对HSRL仪器的机载和舰载是极为不利的。如何降低HSRL系统对激光器的严苛要求是目前摆在激光雷达领域的重要问题之一。 发明内容[0005] 本发明针对上述问题,提出了一种基于干涉光谱鉴频器的多纵模HSRL。不同于传统HSRL系统必须采用单纵模激光器的工作条件,本发明提出的HSRL能在采用多纵模激光器作为发射光源的情况下工作。它巧妙利用干涉光谱鉴频曲线具有周期性的特点,只要将干涉鉴频曲线周期设计得和激光器纵模间隔相匹配,则鉴频器会对所有纵模的频率中心产生同样的抑制效果,从而达到和单纵模工作时一样的光谱分离目的。由于多纵模激光器在系统稳定性、加工成本以及体积小型化等方面均具有显著的优势,且制造技术非常成熟,因此本技术方案的提出将会极大降低HSRL系统中对激光器的严苛要求,对HSRL技术的推广和发展意义重大。 [0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下: [0007] 基于干涉光谱鉴频器的多纵模高光谱分辨率激光雷达,包括多纵模激光器、第一折转反射镜、激光扩束镜、望远镜、小孔光阑、准直透镜、第二折转反射镜、前置处理光路、分光棱镜、第一汇聚透镜、第一光电探测器、干涉光谱鉴频器、第二汇聚透镜和第二光电探测器。 [0008] 多纵模激光器发出的激光经过第一折转反射镜反射后,由激光扩束镜扩束并射入大气。大气中的气溶胶粒子和大气分子会向后散射沿途穿过的激光,且散射能量被望远镜接收。望远镜接收到的能量经过小孔光阑以限制散射光视场角,最后被准直透镜准直。之后,光能量被第二折转反射镜导入前置处理光路做相关处理(例如滤除太阳背景光、偏振分光等)。经过前置处理后的光能最终透过分光棱镜进入干涉光谱鉴频器。 [0009] 干涉光谱鉴频器会将入射光能分成两部分出射。其中从干涉光谱鉴频器反射回来的能量被分光棱镜反射后再被第一汇聚透镜汇聚到第一光电探测器上(称为气溶胶通道);从干涉光谱鉴频器透射出来的能量则被第二汇聚透镜汇聚到第二光电探测器上(称为分子通道)。两个光电探测器上的信号包括了大气散射参数的全部信息,经过如下反演方法即可得到大气后向散射系数、光学厚度等光学属性: [0010] 首先列出气溶胶通道和分子通道的激光雷达方程为 [0011] [0012] 其中,Bi为常数因子、距离、重叠因子校正的回波信号(i=A表示气溶胶,i=M表示分子,后同),βi为气溶胶或大气分子后向散射系数,τ为光学厚度。Ta-A为干涉光谱鉴频器气溶胶通道的气溶胶信号透过率,Tm-A为干涉光谱鉴频器气溶胶通道的大气分子信号透过率,Ta-M为干涉光谱鉴频器分子通道的气溶胶信号透过率,Tm-M为干涉光谱鉴频器分子通道的大气分子信号透过率。根据能量守恒,显然有 [0013] Ta-A+Ta-M=Tm-A+Tm-M=C (2) [0014] 其中常数C为考虑干涉光谱鉴频器光学元件对能量的吸收效应后的总透过率(即C=1-吸收率)。根据式(1),可以得到大气总后向散射系数β的反演表达式 [0015] [0016] 其中Ra=β/βm=(βa+βm)/βm为气溶胶后向散射比,用于表征大气气溶胶负载状态,K=BA/BM为两探测通道信号比。得到了后向散射系数后,由式(1)即容易得到光学厚度表达式为 [0017] [0018] 上述多纵模HSRL得以工作的核心是所采用的干涉光谱鉴频器的自由光谱范围FSR同所采用的多纵模激光器的纵模间隔相等且干涉光谱鉴频器的谐振频率需要调整得和激光器各个纵模对齐。这里,干涉光谱鉴频器可以选择迈克尔逊类型的干涉仪,如FWMI;也可以选择FP标准具。如选择FWMI,则要求所采用的FWMI自由光谱范围FSR同多纵模激光器的纵模间隔偏差不大于0.01GHz,谐振频率需要调整得和激光器各个纵模偏差不大于0.03GHz;如选择FP标准具,则要求所采用的FP标准具自由光谱范围FSR同多纵模激光器的纵模间隔偏差不大于0.001GHz,谐振频率需要调整得和激光器各个纵模偏差不大于0.005GHz。 [0019] 本发明有益效果如下: [0020] 本发明采用多纵模激光器构建HSRL系统,极大减轻了HSRL技术对激光器的苛刻要求,对HSRL激光器的国产化和低成本化具有重大意义。更重要的是,目前要做到完全的单纵模输出,激光器大都采用种子注入技术,导致激光系统体积非常庞大,这对HSRL仪器的机载或星载是极为不利的。而如果能采用多纵模激光器作为HSRL发射光源,既能实现激光系统的小型化,同时不需要对谐振腔的精密控制,极大地提高了激光器的稳定性和环境适应性,对研制HSRL载荷具有很大的促进作用。附图说明 [0021] 图1是本发明装置示意图; [0022] 图2是FWMI干涉光谱鉴频器结构示意图; [0023] 图3是在多纵模HSRL系统中,FWMI对多纵模激光回波信号的光谱分离示意图; [0024] 图4是在多纵模HSRL系统中,FP标准具对多纵模激光回波信号的光谱分离示意图; [0025] 图中,多纵模激光器1、第一折转反射镜2、激光扩束镜3、望远镜4、小孔光阑5、准直透镜6、第二折转反射镜7、前置处理光路8、分光棱镜9、第一汇聚透镜10、第一光电探测器11、干涉光谱鉴频器a、第二汇聚透镜12以及第二光电探测器13。 具体实施方式[0026] 下面结合附图对本发明作进一步说明。 [0027] 如图1所示,基于干涉光谱鉴频器的多纵模高光谱分辨率激光雷达,包括多纵模激光器1、第一折转反射镜2、激光扩束镜3、望远镜4、小孔光阑5、准直透镜6、第二折转反射镜7、前置处理光路8、分光棱镜9、第一汇聚透镜10、第一光电探测器11、干涉光谱鉴频器a、第二汇聚透镜12以及第二光电探测器13。 [0028] 多纵模激光器1发出的激光经过第一折转反射镜2反射后,由激光扩束镜3扩束并射入大气。大气中的气溶胶粒子和大气分子会向后散射沿途穿过的激光,且散射能量被望远镜4接收。望远镜4接收到的能量经过小孔光阑5以限制散射光视场角,最后被准直透镜6准直。之后,光能量被第二折转反射镜7导入前置处理光路8做相关处理(例如滤除太阳背景光、偏振分光等)。经过前置处理光路8处理后的光能最终透过分光棱镜9进入干涉光谱鉴频器a。 [0029] 干涉光谱鉴频器a会将入射光能分成两部分出射。其中从干涉光谱鉴频器a反射回来的能量被分光棱镜9反射后再被第一汇聚透镜10汇聚到第一光电探测器11上(称为气溶胶通道);从干涉光谱鉴频器a透射出来的能量则被第二汇聚透镜12汇聚到第二光电探测器13上(称为分子通道)。两个光电探测器上的信号包括了大气散射参数的全部信息,经过如下反演方法即可得到大气后向散射系数、光学厚度等光学属性: [0030] 首先列出气溶胶通道和分子通道的激光雷达方程为 [0031] [0032] 其中,Bi为常数因子、距离、重叠因子校正的回波信号(i=A表示气溶胶,i=M表示分子,后同),βi为气溶胶或大气分子后向散射系数,τ为光学厚度。Ta-A为干涉光谱鉴频器a气溶胶通道的气溶胶信号透过率,Tm-A为干涉光谱鉴频器a气溶胶通道的大气分子信号透过率,Ta-M为干涉光谱鉴频器a分子通道的气溶胶信号透过率,Tm-M为干涉光谱鉴频器a分子通道的大气分子信号透过率。根据能量守恒,显然有 [0033] Ta-A+Ta-M=Tm-A+Tm-M=C (2) [0034] 其中常数C为考虑干涉光谱鉴频器a光学元件对能量的吸收效应后的总透过率(即C=1-吸收率)。根据式(1),可以得到大气总后向散射系数β的反演表达式 [0035] [0036] 其中Ra=β/βm=(βa+βm)/βm为气溶胶后向散射比,用于表征大气气溶胶负载状态,K=BA/BM为两探测通道信号比。得到了后向散射系数后,由式(1)即容易得到光学厚度表达式为 [0037] [0038] 上述多纵模HSRL得以工作的核心是所采用的干涉光谱鉴频器a的自由光谱范围FSR同所采用的多纵模激光器1的纵模间隔相等且干涉光谱鉴频器a的谐振频率需要调整得和激光器各个纵模对齐。这里,干涉光谱鉴频器a可以选择迈克尔逊类型的干涉仪,如FWMI;也可以选择FP标准具。如选择FWMI,则要求所采用的FWMI自由光谱范围FSR同多纵模激光器 1的纵模间隔偏差不大于0.01GHz,谐振频率需要调整得和激光器各个纵模偏差不大于 0.03GHz;如选择FP标准具,则要求所采用的FP标准具自由光谱范围FSR同多纵模激光器1的纵模间隔偏差不大于0.001GHz,谐振频率需要调整得和激光器各个纵模偏差不大于 0.005GHz。 [0039] 所提出的多纵模HSRL系统将能显著降低HSRL对单纵模激光器的依赖,既节省了激光器的成本、体积和重量,又大大提升了整个系统的稳定性,对我国机载和舰载HSRL载荷的研制具有非常重要的意义。 [0040] 实施例 [0041] 图1中,多纵模激光器1采用纵模间隔和纵模宽度满足要求的激光器即可。纵模间隔应根据所要建立的HSRL系统的工作波长而定,一般应和对应波段的分子瑞利散射谱的谱宽在同一量级,例如在常用的激光波段中,1064nm波段推荐采用2GHz,532nm波段推荐采用3GHz,355nm波段推荐采用4GHz。纵模宽度最好小于150MHz。例如可以选择长春新产业公司FL-X-P系列的多纵模光纤激光器。 [0042] 第一折转反射镜2和第二折转反射镜7采用普通抗强激光反射镜即可,例如北京大恒公司的GCC-101043,直径38.1mm; [0043] 激光扩束镜3采用普通扩束器即可,例如北京大恒公司的GCO-141602型号扩束镜,6倍扩束; [0044] 望远镜4可采用反射式、折反式等通用望远镜,例如米德公司生产的250mm卡塞格林望远镜; [0045] 小孔光阑5可以采用thorlabs公司的SM1D12C光阑; [0046] 准直透镜6采用一般的平凸透镜即可,如thorlabs公司LA1509; [0047] 前置处理系统8中,一般加入一块干涉滤光片即可满足要求,如thorlabs公司FL532-1;如果需要探测气溶胶的退偏特性,则还需要在前置处理系统中加入偏振分光元件,如thorlabs公司PBS25-532; [0048] 分光棱镜9可采用普通分光棱镜,如NEWPORT公司10FC16PB.3型号分光棱镜,口径25.4mm; [0049] 第一汇聚透镜10和第二汇聚透镜12采用常见的双凸透镜,例如thorlabs公司LB1027-A; [0051] 干涉光谱鉴频器a可以采用FP标准具,也可以采用FWMI。如采用FP标准具干涉光谱鉴频器,可以直接购买商用的标准具产品,如美国Thorlabs公司的Fabry-parot干涉仪系列;如果采用FWMI干涉光谱鉴频器,则需要自行设计,其具体结构如图2所示。它包含分光棱镜a1、玻璃臂a2、空气臂反射镜a3以及压电陶瓷a4。分光棱镜a1是一个普通1英寸50:50非偏振分光棱镜,如NEWPORT公司10FC16PB.3型号分光棱镜;玻璃臂a2为1英寸圆柱体,且末端镀高反膜,其材料和长度需要计算得到;空气臂反射镜a3为普通的高反镜,如北京大恒公司的GCC-101043,直径38.1mm;压电陶瓷a4可以选择NEWPORT公司NPC3SG型号的压电晶体微位移器,进行X、Y两方向的倾斜和轴向的平移;空气臂反射镜a3固定在压电陶瓷a4上随着压电陶瓷的运动而倾斜或者平动;空气臂反射镜a3距离分光棱镜a1的间距也需要计算得到。 [0052] 计算FWMI光谱鉴频器a的玻璃臂a2的长度和空气臂反射镜a3到分光棱镜a1距离的方法如下: [0054] FOPD=c/FSR (1) [0055] 其中,c为光速。之后需要选定FWMI玻璃壁a2所用的材料,一般应选择方便加工且容易获取的玻璃材料,如熔石英等。选定玻璃材料后,通过如下两式联立方程即可解算出玻璃壁a2的长度,以及空气臂反射镜a3到分光棱镜a1的距离。 [0056] [0057] [0058] 其中θt是一个固定角度参数,一般选择一个比较小的角度(不大于1.5度);d1是所需要求的玻璃壁a2的长度,n1是所选玻璃壁材料的折射率;d2是所需要求的空气臂反射镜a3到分光棱镜a1的距离,n2是空气的折射率。 [0059] 作为FWMI设计的一个例子,可以选择玻璃H-ZF52作为玻璃壁a2的材料,其折射率n1=1.8584@532nm;空气的折射率n2=1.0002@532nm。选取θt=1.5°,自由光谱范围FSR要求为3GHz,则可以解出d1=37.876mm,d2=20.3821mm。根据计算得到的参数,加工完玻璃材料之后,按照图2装配即可得到FWMI干涉光谱鉴频器。 [0060] 图3示出了FWMI干涉光谱鉴频器在多纵模HSRL系统中的光谱鉴频特性。图中画出的激光回波光谱由11个单纵模回波叠加而成。可见,多纵模HSRL技术的核心就是将FWMI光谱鉴频器的自由光谱范围FSR设计得和多纵模激光频率间隔相匹配,这样各纵模的回波谱均被FWMI做相同程度的抑制,从而实现在多纵模使用时的精细光谱分离。 [0061] 同图3类似,图4示出了FP标准具干涉光谱鉴频器在多纵模HSRL系统中的光谱鉴频特性。FP标准具干涉光谱鉴频器同FWMI干涉光谱鉴频器除了鉴频曲线形状不同外,它们在多纵模HSRL中的工作原理和所起到的作用是完全一致的。 |